Dao quyet thang anh huong cac yeu to den on dinh quy dao chuyen dong cua oto

Việc nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ôtô ở Việt Nam hiện nay được rất nhiều tác giả quan tâm, là cơ sở cho việc thiết kế các hệ thống tự động điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, là cơ sở để quy định các điều kiện khai thác ô tô theo đặc điểm đường xá Việt nam để đảm bảo an toàn giao thông là cơ sở cho thí nghiệm đánh tính ổn định của ô tô. Nội dung nghiên cứu gồm: Tổng quan quỹ đạo chuyển động và an toàn giao thông. Xây dựng mô hình và mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô. Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố kết cấu và khai thác đến ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô. Luận văn nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm MatlabSimulink.

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kếtquả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong cáccông trình nào khác!

Hà Nội, ngày 16 tháng 08 năm 2015

Tác giả

Đào Quyết Thắng

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Giao thông Vận tải, Phòng đàotạo Sau đại học, Khoa Cơ khí và Bộ môn cơ khí ô tô đã cho phép tôi thực hiệnluận văn tại Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành nhất tới TS Trần Văn Như đã hướngdẫn tôi hết sức tận tình, chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận vănnày

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Đào Mạnh Hùng đã đọc vàđóng góp ý kiến quý cho luận văn

Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn cơ khí ô tô - Trường Đạihọc Giao thông Vận tải luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sứcthuận lợi để hoàn thành luận văn này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy tronghội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi cóthể hoàn chỉnh luận văn này và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Trung Cấp Nghề Hà Tĩnh, Ban chủnhiệm Khoa Cơ khí động lực và các thầy cô giáo trong khoa đã tạo điều kiện vàđộng viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, nhữngngười đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiêncứu, học tập và thực hiện luận văn này

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

LỜI NÓI ĐẦU

Ôtô là phương tiện giao thông không thể thiếu trong cuộc sống con người.Với tiến bộ khoa học kỹ thuật, ô tô ngày càng hiện đại, tốc độ càng lớn và yêucầu về độ an toàn và tiện nghi chuyển động ngày càng tăng, trong đó độ ổn địnhquỹ đạo chuyển động là một tính chất rất quan trọng của ô tô, đặc biệt khi tốc độchuyển động cao Trong quá trình chuyển động ô tô chịu ảnh hưởng của rất nhiềuyếu tố tác động đến làm mất ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô trong đó cóyếu tố kết cấu, yếu tố khai thác và điều kiện môi trường giao thông Nếu khôngkiểm soát được các yếu tố đó rất dễ làm mất kiểm soát quỹ đạo của ô tô gây tainạn giao thông Sự chuyển động an toàn của ô tô phụ thuộc rất nhiều vào trạngthái chuyển động của ô tô Trong đó có trạng thái chuyển động không ổn địnhxẩy ra khi ô tô không thể điều khiển hướng chuyển động theo quỹ đạo ổn định Khoa học công nghệ ô tô ngày nay không ngừng cải tiến, nâng cấp để đảmbảo cao nhất về độ an toàn chuyển động ô tô Đây cũng là đề tài cũng được rấtnhiều người quan tâm

Xuất phát từ thực trạng trên và trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ tôi chọn

đề tài “Ảnh hưởng của yếu tố kết cấu và khai thác đến ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô”

Việc nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ôtô ở Việt Nam hiện nay đượcrất nhiều tác giả quan tâm, là cơ sở cho việc thiết kế các hệ thống tự động điềukhiển ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, là cơ sở để quy định các điều kiệnkhai thác ô tô theo đặc điểm đường xá Việt nam để đảm bảo an toàn giao thông

là cơ sở cho thí nghiệm đánh tính ổn định của ô tô

Nội dung nghiên cứu gồm:

- Tổng quan quỹ đạo chuyển động và an toàn giao thông

- Xây dựng mô hình và mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô

- Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố kết cấu và khai thác đến ổn địnhquỹ đạo chuyển động của ô tô

Luận văn nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng trên máy tính bằngphần mềm Matlab/Simulink

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG VÀ

AN TOÀN GIAO THÔNG

1.1 Động lực học điều khiển và quỹ đạo chuyển động của ô tô

1.1.1 Mô hình hệ thống điều khiển của ô tô

Mô hình khảo sát tổng quát tính điều khiển chuyển động của ô tô được xemxét trong mối quan hệ “ô tô - môi trường - người lái” (hình 1.1) Trong thực tếquan hệ giữa trạng thái chuyển động của ô tô và sự điều khiển của người lái diễn

ra theo mạch kín, người lái xe thông qua quan sát, âm thanh và cảm nhận từ môitrường để tác động điều khiển ô tô Các yếu tố của môi trường luôn luôn thayđổi, dẫn tới thay đổi mối tương quan chuyển động của ô tô trên nền đường.Người lái luôn tác động điều khiển để thu được quỹ đạo chuyển động theo mongmuốn Đồng thời trạng thái chuyển động của ô tô được phản hồi trở lại người lái

và người lái lại tác động điều khiển ô tô để đạt được quỹ đạo chuyển động của ôtô

Hình 1.1 – Mô hình “Ô tô – Con người – Môi trường” trong nghiên cứu quỹ đạo

chuyển động và tính điều khiển ô tô

Việc khảo sát hệ thống kín như hình 1.1 là đầy đủ, tuy nhiên mô hìnhnghiên cứu phức tạp Để đơn giản hóa ta có thể nghiên cứu từng phần trong hệkín để đánh giá tác động của các yếu tố này đến các yếu tố kia trong hệ thốngkín Ví dụ như để nghiên cứu tác động của môi trường chuyển động đến quỹ đạochuyển động của ô tô thì yếu tố con người phải được loại bỏ, coi tác động điềukhiển của con người đến ô tô là không có hoặc không đổi, không có phản ứngliên hệ ngược với môi trường Sự chia cắt mô hình con để nghiên cứu là cầnthiết, ngoài mục tiêu đơn giản hóa mô hình còn mục tiêu quan trọng đó là để xácđịnh rõ yếu tố ảnh hưởng nghiên cứu đến đối tượng nghiên cứu (như ví dụ trên:môi trường tác động đến quỹ đạo chuyển động ô tô)

Mô hình hệ thống kín đầy đủ như hình 1.1 thường để mô phỏng hệ thốngthực (đầy đủ) trong trường hợp tổng quát với các kết quả nghiên cứu hoàn thiện

mô hình con, hoặc để đánh giá kết quả nghiên cứu với mô hình đơn giản hóađược áp dụng trên mô hình đầy đủ

Tính điều khiển quỹ đạo chuyển động của ô tô được hiểu là các đáp ứngchuyển vị của ô tô đối với sự thay đổi góc quay vành tay lái (kể đến cả ảnhhưởng của động lực học hệ thống lái) khi ô tô chuyển động hay sự thay đổi góc

quay của bánh xe dẫn (không kể đến ảnh hưởng của động lực học hệ thống lái)trong điều kiện chuyển động nhất định (vận tốc không đổi hoặc vận tốc thay đổi).Khi phân tích tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô cần được xem xét

ô tô là một hệ thống động lực học với các tác động đầu vào (như góc đánh lái,gió ngang, ) và sự ổn định của các thông số đầu ra Do đó nghiên cứu ổn địnhcủa ô tô liên quan đến nghiên cứu ổn định hệ thống Một hệ thống được gọi là ổnđịnh nếu quá trình quá độ tắt dần theo thời gian, hệ thống không ổn định nếu quátrình quá độ tăng dần theo thời gian, hệ thống ở biên độ ổn định nếu quá trìnhquá độ không đổi hoặc dao động không tắt dần

Bản chất mô hình quỹ đạo chuyển động của ô tô với sự thay đổi góc quaybánh xe dẫn hướng (hay góc quay vành tay lái) là một hệ thống động lực học vớitác động đầu vào là góc quay bánh xe dẫn hướng và đáp ứng đầu ra là quỹ đạochuyển động của ô tô Hệ thống được coi là ổn định nếu một tác động đầu vào(góc quay bánh xe dẫn hướng) thì đáp ứng đầu ra (quỹ đạo chuyển động của ô tô)phải dần đến ổn định ở một trạng thái xác lập Hay nói cách khác tính ổn địnhquỹ đạo chuyển động của ô tô là một đặc tính của ô tô giữ được hướng chuyểnđộng theo góc quay vành tay lái khi chịu tác động của môi trường (tính ổn địnhbền vững)

1.1.2 Vấn đề giao thông và quỹ đạo chuyển động

Trong giao thông đường bộ mặt đường bị giới hạn, sự chuyển động của ô tôkhông thể cho phép là những mặt đường vô tận Mặt khác, ô tô chuyển độngtrong môi trường giao thông với sự chuyển động của các đối tượng tham gia giaothông khác Nếu ô tô mất ổn định điều khiển sẽ dẫn tới mất an toàn giao thông

Vì vậy đảm bảo quỹ đạo chuyển động của ô tô là một yếu tố quan trọng nhằmđảm bảo an toàn giao thông

Sự chuyển động của ô tô trên đường đòi hỏi phải thực hiện theo quỹ đạophức tạp, người lái luôn luôn điều chỉnh góc quay vành tay lái Khi nâng cao tốc

độ chuyển động cần thiết phải đảm bảo mối tương quan chặt chẽ giữa quỹ đạochuyển động và góc quay vành lái, trong nhiều trường hợp sự sai lầm nhỏ trong

điều khiển sẽ dẫn tới mất quỹ đạo chuyển động và gây mất an toàn giao thông Ví

dụ như khi đi trên đường vòng ở tốc độ cao, gặp chướng ngại vật, phanh xe quángặt, dẫn đến các bánh xe bị bó cứng làm khả năng tiếp nhận lực ngang của bánh

xe giảm, làm bánh xe bị trượt ngang, làm mất khả năng điều khiển dẫn đến lậtđổ

Tai nạn của ô tô có thể do nhiều nguyên nhân, trong mô hình “Ô tô - môitrường - người lái” có thể chỉ ra nhóm nguyên nhân: ô tô; mô trường và người lái+ Đối với người lái như: trình độ kỹ thuật thấp; ít kinh nghiệm; trạng tháicủa lái xe (mệt mỏi, buồn ngủ, mất tập trung, chủ quan, …)

+ Đối với môi trường như: chất lượng đường; thiếu các hệ thống thông tincảnh báo; che khuất tầm nhìn; địa hình, địa chất, mưa, gió, đường trơn trượt; … + Đối với ô tô như: tình trạng kỹ thuật không tốt, đặc biệt hệ thống lái, hệthống phanh; các thông số khai thác không hợp lý như chở quá tải, áp suất lốpkhông đúng tiêu chuẩn, …

Để hạn chế tai nạn giao thông, các yếu tố trên đều được kiểm soát bằng cácquy định pháp luật như: luật giao thông đường bộ; tiêu chuẩn thiết kế đường; tiêuchuẩn thiết kế ô tô cũng như tiêu chuẩn về kiểm định chất lượng phương tiệnđang lưu hành và ô tô xuất xưởng

Sự liên quan của quỹ đạo chuyển động tới an toàn chuyển động là mộttrong các nguyên nhân nằm trong nhóm nguyên nhân do phương tiện gây ra Do

đó kết cấu ô tô, đặc biệt hệ thống điều khiển chuyển động ô tô cần được hoànthiện để giảm thiểu nguyên nhân tai nạn do yếu tố kỹ thuật phương tiện gây ra.Việc khảo sát các yếu tố liên quan đến kỹ thuật phương tiện đến ổn định quỹ đạochuyển động ô tô là cần thiết Việc khảo sát giúp đánh giá ảnh hưởng của các yếu

tố về kỹ thuật phương tiện đến ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, cân nhắc,xem xét đưa các hệ thống tự động điều chỉnh, điều khiển tự động để nâng caotính ổn định và điều khiển hướng của ô tô

1.2 Ảnh hưởng của các yếu tố đến quỷ đạo chuyển động của ô tô

1.2.1 Ảnh hưởng của yếu tố kết cấu

1.2.1.1 Ảnh hưởng của bánh xe đàn hồi

Sự chuyển động của ô tô trên nền đường phụ thuộc rất nhiều vào lựctương tác giữa bánh xe và nền đường Bánh xe sử dụng trên ô tô là bánh xe đànhồi, các thành phần lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường gồm phản lực theophương thẳng đứng, phản lực dọc trong mặt phẳng quay của bánh xe (lực phanhhoặc lực kéo), phản lực ngang (theo phương vuông góc với mặt phẳng quay củabánh xe) và mô men quay theo trục thẳng đứng (hình 1.2)

Hình 1.2 – Lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường

Trong đó hai thành phần phản lực ngang và mô men quay theo trục thẳngđứng ảnh hưởng lớn đến tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô Đường đặctính phản lực ngang và mô men quay theo trục thẳng đứng phụ thuộc nhiều vàokết cấu của lốp, góc lăn lệch của bánh xe (α) và loại đường (hình 1.3)

Hình 1.3 – Lực tương tác giữa bánh xe và mặt đường

Khi bánh xe chịu đồng thời lực dọc và lực ngang, phương chuyển động củabánh xe không trùng với mặt phẳng lăn của bánh xe mà lệch đi một góc α Khigóc lăn lệch α tăng làm giảm tính điều khiển của ô tô khi góc α đạt tới giới hạn,làm mất tính điều khiển

Khi bánh xe chịu đồng thời lực dọc và lực ngang thì lực ngang giới hạntrượt giảm làm giảm tính điều khiển, tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô.Trên hình 1.4 thể hiện mối quan hệ giữa lực bám dọc, ngang phụ thuộc vào hệ sốtrượt dọc λ và góc lăn lệch α

Hình 1.4– sự phụ thuộc lực bám dọc, ngang vào hệ số trượt dọc λ và góc lăn lệch

α

Lực dọc F bị giới hạn bởi lực bám dọc cực đại, giá trị lực dọc lớn nhất của x

bánh xe có thể đạt được giá trị bằng giá trị lực bám dọc cực đại của bánh xe với

mặt đường Khi có mặt lực bên F (làm xuất hiện góc lăn lệch y α, hình 1.4 a) cókhả năng truyền lực dọc của bánh xe bị giảm và khi lực kéo đạt giá trị lớn nhấtthì lực bên rất nhỏ (hình 1.4c), tức là bánh xe ít có khả năng tiếp nhận lực bên(bánh xe dễ bị trượt bên) Ngược lại nếu lực bên đạt giá trị lớn nhất, khi đó bánh

xe không còn khả năng tiếp nhận lực dọc (bánh xe dễ bị trượt dọc) (hình 1.4c)

1.2.1.2.Ảnh hưởng của hình dáng hình học của thân xe đến tính ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

Hình dáng hình học của thân xe liên quan đến hai yếu tố có ảnh hưởng đến

độ ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô: giá trị và vị trí đặt lực gió ngang tổnghợp tác dụng lên ô tô; lực nâng thân xe làm giảm áp lực của bánh xe lên mặtđường dẫn đến khả năng bám ngang giảm Trong mục này tác giả đi phân tíchxác định vị trí đặt lực gió ngang và ảnh hưởng của vị trí đặt lực gió ngang đến ổnđịnh quỹ đạo chuyển động của ô tô

Tâm đặt lực cản gió ngang có thể xác định là trọng tâm của phần diện tíchcủa mặt phẳng dọc đối xứng của xe Phần diện tích này tương đối phức tạp, việcxác định có thể dựa trên cơ sở chia cắt phần diện tích đó thành các phần diện tíchhình học cơ bản có thể dễ ràng xác định trọng tâm diện tích như hình chữ nhật,hình vuông, hình bình hành, hình tam giác, … Trọng tâm của hình chữ nhật, hìnhvuông, hình bình hành, hình thoi được xác định là giao điểm của hai đường chéo,trong tâm của tam giác được xác định là giao điểm của 3 đường trung tuyến Saukhi xác định được trọng tâm của các hình cơ bản có thể xác định trọng tâm hìnhhọc của mặt phẳng dọc của ô tô trên cơ sở cân bằng trọng tâm hình học của cáchình cơ bản

Giả sử ta cần tìm tâm diện tích của hình chiếu đứng của ô tô như hình 1.5.Hình chiếu đứng được chia thành các diện tích cơ bản có diện tích S S1, , ,2 S và n

có tọa độ trọng tâm tương ứng là ( , ),( , ),( ,x y1 1 x y2 2 x y3 3), (x y n, n)

a) b) c)

Hình 1.5– Phương pháp xác định trọng tâm hình học của hình chiếu ô tô

Tọa độ trọng tâm của hình chiếu ( , )x y được xác định như sau:

Gọi khoảng cách từ điểm đặt lực gió ngang tổng hợp (điểm C) đến trọng

tâm của ô tô (điểm T) là e thể hiện trên hình 1.6

Hình 1.6 – Điểm đặt lực gió ngang so với trọng tâm của ô tô

Tùy thuộc vào hình dáng diện tích mặt phẳng dọc ô tô, điểm đặt lực ngang

này có thể nằm trước, sau, hoặc trùng với trọng tâm T của ô tô Khi điểm đặt lực

ngang nằm trước so với trọng tâm của ô tô (hình 1.6) thì khi xuất hiện lực gió

ngang N sẽ sinh ra mô men quay thân xe quanh trọng tâm của ô tô M T =N e. có

chiều cùng chiều với sự chuyển động lệch hướng của ô tô làm tăng thêm sự lệch

hướng chuyển động của ô tô Khi điểm đặt lực gió ngang C nằm sau trọng tâm

T của ô tô thì chiều mô men quay thân xe ngược chiều với chiều chuyển động

lệch của thân xe làm giảm sự lệch hướng chuyển động của ô tô Độ lớn mô menquay thân xe do ảnh hưởng của gió ngang M phụ thuộc vào khoảng cách e và T

diện tích cản ngang ; v - vận tốc không khí kk

Xét về khía cạnh ổn định để ô tô không bị quay vòng thừa (hoặc góc bùvành lái nhỏ nhất) thì trọng tâm ô tô cần nằm giữa ô tô hoặc lệch về phía cầutrước, còn tâm áp lực của gió bên cần dịch sau trọng tâm một cách hợp lý nhờcấu trúc vỏ ô tô Ô tô con có cầu trước chủ động đáp ứng được yêu cầu trọng tâm

ô tô dịch về phía trước, hình dáng vỏ được tạo nên thấp ở đầu xe, cao lên ở đuôi

xe để không nhạy cảm với tác dụng của gió bên

1.2.1.3 Ảnh hưởng của hệ thống lái

Hệ thống lái giữ vai trò điều khiển hướng chuyển động của ô tô (thay đổihay duy trì) theo tác động của người lái Hệ thống lái tham gia cùng với các hệthống điều khiển khác thực hiện điều khiển ô tô và đóng góp vai trò quan trọngtrong việc đảm bảo an toàn giao thông khi ô tô chuyển động Hệ thống lái baogồm các cụm cơ cấu và chi tiết từ vành tay lái tới các bánh xe dẫn hướng

Hệ thống lái phải đảm bảo điều khiển hướng linh hoạt và an toàn của ô tôtrên các loại đường khác nhau tùy thuộc vào vận tốc chuyển động Sự điều khiểnlinh hoạt và an toàn phụ thuộc vào các yếu tố kết cấu: bán kính quay vòng nhỏnhất, độ rơ tổng cộng của hệ thống lái, tỷ số truyền của hệ thống lái, hiệu suấttruyền động ngược, khả năng tự ổn định của bánh xe dẫn hướng Trong các yếu

tố trên, độ rơ của hệ thống lái ảnh hưởng nhiều đến ổn định quỹ đạo chuyển độngcủa ô tô, độ rơ của hệ thống lái lớn làm thời gian chậm tác dụng của hệ thống láităng Độ rơ vành tay lái không quá lớn: với xe có vận tốc tối đa lớn hơn100km/h, độ rơ vành tay lái không được vượt quá 15 độ, với xe có vận tốc từ nhỏhơn 100km/h, độ rơ vành tay lái không được vượt quá 27 độ Khả năng tự ổnđịnh của bánh xe dẫn hướng đảm bảo ô tô khả năng ổn định hướng chuyển động,đặc biệt khi đi thẳng Hiệu suất truyền động ngược và tỷ số truyền của hệ thốnglái (tích của tỷ số truyền cơ cấu lái và tỷ số truyền dẫn động lái) cũng có ý nghĩa

ổn định hướng chuyển động của ô tô Hiệu suất truyền động ngược nhỏ làm tăng

độ ổn định chuyển động thẳng của bánh xe dẫn hướng khi có ngoại lực ngang tácđộng lên bánh xe dẫn hướng và lên ô tô Trên một số ô tô hiện đại, tỷ số truyềncủa cơ cấu lái được điều khiển thay đổi theo tốc độ chuyển động của ô tô để đảmbảo độ ổn định hướng chuyển động thẳng của ô tô Khi tốc độ chuyển động tăng,

tỷ số truyền cơ cấu lái tăng để tăng độ ổn định chuyển động thẳng của bánh xedẫn hướng

1.2.2 Ảnh hưởng của yếu tố khai thác và môi trường

1.2.2.1 Ảnh hưởng của áp suất hơi lốp đến độ ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

Áp suất hơi lốp có ảnh hưởng lớn đến độ cứng theo phương ngang của lốp,ảnh hưởng đến độ ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô Trên hình 1.7 thể hiện

sự ảnh hưởng của áp xuất hơi lốp đến độ cứng theo phương ngang, dọc và theophương thẳng đứng [1]

Theo thống kê ở Mỹ cho thấy, 5% số phương tiện giao thông gặp nạn là dovấn đề lốp Cơ quan an toàn giao thông quốc gia Mỹ (NHTSA) cũng chỉ ra nguy

cơ gặp tai nạn cao gấp 3 lần đối với các phương tiện sử dụng lốp có áp suất thấphơn 25% so với tiêu chuẩn Trong quá trình sử dụng do sự chênh lệch áp suấtgiữa bên trong và bên ngoài lốp nên áp suất hơi lốp giảm theo thời gian Trongđiều khiển bình thường, trung bình áp suất hơi giảm khoảng 0,068 atmospheremỗi tháng, tốc độ này sẽ tăng lên nếu chạy xe trong điều kiện nắng nóng

Lốp xe là phần tử quan trọng và làm việc nặng nhọc nhất trong tương tácgiữa bánh xe và đường Quá trình ô tô chuyển động lốp xe luôn luôn ở trongtrạng kéo nén cục theo chu kỳ phụ thuộc vào tốc độ quay Lốp non hơi có độcứng thấp, quá trình biến dạng xảy ra mạnh làm tăng tốc độ phá hủy lốp, ngoài racòn làm giảm độ cứng của lốp theo phương ngang làm mất ổn định quỹ đạochuyển động Việc duy trì áp suất lốp đúng theo tiêu chuẩn giúp cho các chứcnăng phanh, đổi hướng chuyển động, cách ly dao động từ kích thích mặtđường… ở tình trạng tốt nhất Lốp non hơi cũng làm tăng lực cản lăn dẫn đến tổnhao công suất động cơ Việc sử dụng lốp theo đúng khuyến cáo giúp cải thiện3,3% mức tiêu thụ nhiên liệu Tuy nhiên sử dụng lốp quá căng lại làm giảm diệntích tiếp xúc giữa lốp với mặt đường, lốp nhanh bị mòn ở giữa và dễ gây nổ lốp

1.2.2.2 Ảnh hưởng của mặt đường đến ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô

Mặt đường không bằng phẳng, hệ số bám thấp là hai yếu tố ảnh hưởng đến

độ ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô Lực bám dọc và ngang phụ thuộc vào

áp lực của bánh xe xuống mặt đường và hệ số bám dọc, ngang Trong mục nàytác giả phân tích ảnh hưởng của mặt đường không bằng phẳng đến tính điềukhiển của ô tô Theo quan điểm về tính điều khiển và áp lực bánh xe tác dụngxuống nền đường là một trong những thông số quan trọng để đánh giá Khi ô tôchuyển động trên đường không bằng phẳng có tính ngẫu nhiên thì dáng điệu của

áp lực bánh xe xuống mặt đường R t cũng mang tính ngẫu nhiên Áp lực bánh k( )

xe R t được xác định bằng tổng của áp lực tĩnh và áp lực động giữa bánh xe với k( )

Giá trị R dao động xung quanh vị trí giá trị trung bình (hình 1.8) k

Hình 1.8 - Sự thay đổi áp lực bánh xe xuống mặt đường khi chuyển động trên

đường không bằng phẳng

Tại thời điểm bánh xe tách khỏi mặt đường (áp lực bánh xe tác dụng xuống mặtđường bằng) bánh xe không có khả năng nhận lực ngang (quan trọng khi điều

khiển), lực dọc (quan trọng khi phanh) Nếu là bánh xe dẫn hướng thì không cókhả năng dẫn hướng Theo quan điểm về an toàn chuyển động thì sai lệch bìnhphương trung bình của áp lực R càng nhỏ càng tốt k

1.2.2.3 Ảnh hưởng của gió đối với quỹ đạo chuyển động của ô tô

Sự chuyển động của ô tô trong gió bên là một trạng thái của chuyển độngquay vòng động Trong thực tế khi ô tô đang chuyển động bất ngờ gặp gió bênđột biến (lực ngang tăng đột biến) có thể làm lệch quỹ đạo chuyển động của ô tô

so với quỹ đạo mong muốn Đây là trường hợp có thể gây mất an toàn, hiệntượng này thường gặp khi ô tô chuyển động qua các khe giữa của hẻm núi với tốc

độ cao

Nghiên cứu ảnh hưởng của gió ngang đến ổn định quỹ đạo chuyển độngthường khảo sát ở trạng thái chuyển động của ô tô khi không chịu tác động củalái xe, lúc đó có thể coi ô tô có thể chuyển động thẳng trên đường, trong trườnghợp này khi nghiên cứu động lực học thông thường xác định góc bù cần thiết củavành lái để ô tô vẫn giữ được hướng chuyển động thẳng, nghiên cứu phân tích,

độ ổn định của gió bên khi có lực gió ngang kích thích Phân tích động lực học,phân tích ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô khi có gió ngang kích thích làm

cơ sở để thiết kế điều khiển các hệ thống lái có điều khiển tự động Trên hình 1.9thể hiện quỹ đạo chuyển động của ô tô khi có gió ngang kích thích trong trườnghợp giữ nguyên vành tay lái và trong trường hợp điều chỉnh vành tay lái theohướng ngược lại để đảm bảo ô tô giữ được hướng chuyển động không bị lệch rangoài hành lang của đường

Hình 1.9- Quy luật tác động của gió bên (a) và quỷ đạo chuyển động của trọng

tâm ô tô (b)

1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

Vấn đề ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô được các tác giả trong vàngoài nước nghiên cứu quan tâm nghiên cứu Các hướng nghiên cứu bao gồm:nghiên cứu đặc tính bám của lốp; mô hình động lực học tương tác theo phươngdọc, ngang của lốp; nghiên cứu mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô; nghiên cứuđiều khiển quỹ đạo chuyển động của ô tô; nghiên cứu hệ thống lái tích cực,

Về hướng nghiên cứu đặc tính bám của lốp, xấp xỉ đường đặc tính bám củalốp bằng các hàm toán học như trong công trình nghiên cứu [2], tác giả đã đưa rahàm lượng giác với 10 tham số để mô tả đường đặc tính bám dọc, ngang của lốp

Mô hình vẫn phải dựa trên số Trong nghiên cứu [1], các tác giả nghiên cứu ảnhhưởng của áp suất hơi lốp đến độ cứng theo phương dọc, ngang và theo phươnghướng kính Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng sự ảnh hưởng đến độ cứng ngang củalốp phụ thuộc rất nhiều vào áp suất hơi lốp, phụ thuộc không đáng kể đến trạngthái bề mặt của lốp, của đường Trạng thái bề của lốp của đường ảnh hưởng đếngiá trị lớn nhất của lực bám ngang Trong [3] [4] [5] các tác giả xây dựng môhình động lực học của lốp kết hợp theo phương dọc và ngang

Về hướng nghiên cứu thiết kế các hệ thống điều khiển tự động ổn định quỹđạo chuyển động của ô tô như hệ thống ESP (Electronic Stability Program), hayVDC (Vehicle Dynamics Control), được nhiều tác giả quan tâm như trong nghiêncứu [6], [7], [8]

Về hướng xây dựng mô hình mô phỏng động lực học của ô tô được các tácgiả trong nước quan tâm nhiều như các công trình [11], [12], [13], [14], [16].Trong các nghiên cứu này tác giả chủ yếu tập trung xây dựng mô hình mô phỏngđộng lực học quay vòng của ô tô với vận tốc đều, không xét đến mô hình quayvòng có gia tốc, hay nói cách khác, động lực học theo phương dọc của ô tô được

bỏ qua, coi ô tô chuyển động đều Mô hình lốp được xem xét là mô hình tuyếntính hoặc phi tuyến

Tác giả đã đi phân tích định tính ảnh hưởng của một số yếu tố kết cấu, khaithác và môi trường giao thông đến độ ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô Vànghiên cứu tài liệu tham khảo liên quan đến vấn đề mô hình hóa, mô phỏng quỹđạo chuyển động của ô tô cũng như các nghiên cứu liên quan như mô hình lốp,nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển ổn định quỹ đạo chuyển động ô tô Các nghiên cứu trong nước về mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tôphần lớn chỉ dừng lại ở mô hình quỹ đạo chuyển động đều, bỏ qua động lực họctheo phương dọc ô tô coi ô tô chuyển động đều, mô hình lốp nghiên cứu chủ yếu

là mô hình tuyến tính Có một vài nghiên cứu mô hình lốp là mô hình phi tuyếnnhưng chỉ nghiên cứu độc lập trên mô hình lốp [12], chưa nghiên cứu kết hợp môhình lốp phi tuyến với mô hình quỹ đạo chuyển động của ô tô Các nghiên cứuảnh hưởng của yếu tố kết cấu và yếu tố khai thác còn hạn chế và mang tính chấtđịnh tính [11]

Trên cơ sở đó, tác giả tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố kếtcấu, yếu tố khai thác đến độ ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, mô hìnhnghiên cứu có xét đến động lực học theo phương dọc của ô tô.

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG QUỸ

ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG Ô TÔ

2.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình

Mô hình động lực học chuyển động ô tô tổng quát của ô tô là một hệ thống

cơ học phức tạp gồm nhiều bậc tự do và liên kết phức tạp như liên kết giữa lốp

xe với mặt đường theo 3 phương,… Trong mô hình động lực học thông thườnggồm có các phần tử có khối lượng và các liên kết Để đơn giản hóa khi xây dựng

mô hình động lực học người ta thường đưa vào các giả thiết vật lý, và rút gọn môhình trên cơ sở quy dẫn các thành phần của mô hình Từ mô hình động lực học,

để xây dựng mô hình toán có thể sử dụng nhiều phương pháp như phương trìnhLagrange loại 2, nguyên lý Dalambe, phương pháp họa đồ (bond graph) [9],phương pháp hệ thống con, Trong chương này này tác giả trình bày hai phươngpháp phổ biến để xây dựng mô hình toán cho hệ động lực học đó là phươngphương trình Lagrange loại 2 và nguyên lý Dalambe

2.1.1 Nguyên lý Dalambe

Dựa vào nguyên lý Dalambe chuyển bài toán động lực học về bài toán tĩnhhọc bằng cách đưa các mô men quán tính khối lượng, khối lượng quán tính vào

cơ hệ, khi đó phương trình chuyển động sẽ được thiết lập trên cơ sở lấy tổng các

mô men, lực tác dụng lên cơ hệ

Mỗi phần tử cứng tuyệt đối của cơ hệ có đại lượng đặc trưng là mô menquán tính khối lượng J và khối lượng i m đặt tại khối tâm của phần tử Phương j trình tổng quát theo nguyên lý Dalambe cho phần tử i có dạng:

2 2 1

n i

m i

Trong đó : J - mô men quán tính khối tương ứng mỗi vật; i θi- dịch chuyển

góc góc tương ứng mỗi phần tử; m - khối lượng quán tính; i x - dịch chuyển của i phần tử i theo phương x ; i F - ngoại lực tác dụng lên phân tử theo phương ij x ; i ij

M - mô men tác dụng lên phần tử theo chiều dịch chuyển θi.

2.1.2 Phương trình Lagrange loại 2

Xét hệ cơ học có n tọa độ suy rộng, động năng, thế năng đàn hồi và nănglượng khuyết tán của hệ được xác định tương ứng theo các công thức sau:

Trong đó: δi - biến dạng (dài, góc) của phần tử có độ cứng (chống biến

dạng dài, góc) C , i δ θ θi = −j k ; m - số lượng phần tử có độ đàn hồi.

- Năng lượng khuyết tán:

2 1

Trong đó: δ&i - vận tốc biến dạng của phần tử có độ cản nhớt K i

Phương trình Lagrange loại II cho cơ hệ được viết như sau:

2.2 Các mô hình nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của ô tô

Trong nghiên cứu ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, tùy theo mục tiêu

và phạm vi nghiên cứu người ta lựa chọn mô hình nghiên cứu phù hợp, khôngquá phức tạp cũng không quá đơn giản quá làm mất tính chất của đối tượngnghiên cứu Các mô hình được sử dụng để nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của

ô tô thường là mô hình trong không gian, mô hình hai vết trong mặt phẳng (biểudiễn trên mặt phẳng của đường), mô hình một vết, mô hình bánh xe và mô hình

hệ thống lái

2.2.1 Mô hình chuyển động tổng quát của ô tô

Trong trường hợp tổng quát mô hình chuyển động của ô tô trong khônggian gồm 9 bậc tự do (tọa độ suy rộng) Đối với thân xe có 6 bậc tự do: dịchchuyển theo phương thẳng đứng (phương OZ); góc quay thân xe theo trục OZ(yaw angle); dịch chuyển theo phương dọc (OX); góc lắc ngang của thân xe (rollangle); dịch chuyển theo phương ngang (OY); góc lắc dọc của thân xe (pitchangle) Đối với mỗi bánh xe dẫn hướng có 3 bậc tự do: dịch chuyển theo phươngthẳng đứng do sự kích thích của mấp mô mặt đường (wheel lift); góc quay bánh

xe theo trục của nó và góc quay của bánh xe dẫn hướng quanh trục quay đứng

Trên hình 2.1 thể hiện các hệ tọa độ suy rộng của mô hình chuyển động tổng quátcủa ô tô.

Khi xây dựng mô hình chuyển động của ô tô, để đơn cho việc áp dụngnguyên lý Dalambe người ta sử dụng hệ trục tọa độ di động XOY gắn trên ô tô.Tuy nhiên, hệ tọa độ này không thể mô tả được quỹ đạo chuyển động của ô tôtrong không gian Để mô tả quỹ đạo chuyển động của ô tô trong không gian thìphải chuyển hệ trục tọa độ gắn trên ô tô thành hệ trục tọa độ cố định gắn trên mặtđường X0OY0 hình (2.2)

Hình 2.1- Mô hình chuyển động tổng quát của ô tô

Hình 2.2- Chuyển hệ trục tọa độ trong mô phỏng quỹ đạo chuyển động của ô tô

0 0 0

Trong đó T - ma trận chuyển, phụ thuộc vào góc quay theo 3 trục của hệ r

trục tọa độ gắn trên xe Ma trận chuyển T là tích của 3 ma trận chuyển do các r

dịch chuyển góc của hệ trục tọa độ di dộng gắn trên thân xe , ,ψ φ θ .

Mô hình này tương đối phức tạp, chủ yếu được sử dụng để nghiên cứu độ

ổn định quỹ đạo chuyển động của ô tô, hành lang chuyển động của ô tô có kể đếnảnh hưởng của dao động theo phương thẳng đứng so sự kích thích từ mấp mômặt đường

2.2.2 Mô hình hai vết trong mặt phẳng

Khi bỏ qua ảnh hưởng của sự dao động theo phương thẳng đứng đến ổnđịnh quỹ đạo chuyển động của ô tô, bỏ qua ảnh hưởng của sự nghiêng thân xehoặc giả thiết mặt đường phẳng tuyệt đối ta có thể đưa mô hình trong không gian

về dạng đơn giản hơn là mô hình phẳng hai vết (hình 2.3)

Mô hình đưa ra ở dạng phẳng, trọng tâm ô tô đặt tại mặt đường Bỏ qua ảnhhưởng lật nghiêng thân xe dưới ảnh hưởng của lực ly tâm và hệ thống treo Ô tôchuyển động trên bốn bánh xe Quỹ đạo chuyển động của ô tô là một đường cong

và được xác định bởi các vị trí liên tiếp của trọng tâm ô tô C Vận tốc tức thời của ô tô là v đặt tại trọng tâm và nghiêng đi so với trục tọa độ ô tô một gócβ

(góc này được gọi tên là góc lệch hướng chuyển động của ô tô) Mô hình ô tô haivết bánh xe nghiên cứu chuyển động của ô tô trong trường hợp tổng quát khi chịutác dụng của phản lực dọc và ngang từ mặt đường lên các bánh xe, lực gió ngang

F wy và lực cản không khí Fwx

Hình 2.3 -Mô hình hai vết trong mặt phẳng đường

Trên hình 2.3: C - trọng tâm ô tô; δi - góc quay của các bánh xe,

1, 2 0, ,3 4 0

δ δ ≠ δ δ = ; αi - góc lệch bên của bánh xe thứ i (i = 1 ÷ 4); ψ - góc

quay thân xe quanh trục thẳng đứng qua trọng tâm; β - góc lệch thân xe so với phương chuyển động; v - vận tốc chuyển động của ô tô; vxC ,vy - các thành phần vận tốc ô tô trong hệ tọa độ trọng tâm; vi - vận tốc của bánh xe thứ i (i = 1÷ 4); v&

- gia tốc tiếp tuyến của ô tô; v(ψ β&+ &)

- gia tốc hướng tâm của ô tô; F - phản yi lực ngang từ mặt đường tác dụng lên bánh xe thứ i; F - lực dọc tác dụng lên xi bánh xe thứ i (i = 1÷ 4); b1 , b 2 - khoảng cách từ trọng tâm đến tâm vết bánh xe bên trái, bên phải; a1 , a 2 - khoảng cách từ trọng tâm đến tâm vết bánh trước, sau;

F wx - lực cản không khí F w =0, 5c A v w ρw x2, trong đó cw là hệ số cản không khí, ρw

là mật độ không khí, và A là diện tích cản chính diện của ô tô; Fwy - lực gió ngang; lw - khoảng cách từ điểm đặt lực gió ngang tới trọng tâm xe.

Mô hình nghiên cứu chuyển động của ô tô trong mặt phẳng là mô hình có 3bậc tự do Các bậc tự do này bao gồm: vận tốc phương ngang của ô tô trong hệ

tọa độ cố địn vx; vận tốc tuyệt đối theo phương dọc của ô tô trong hệ tọa độ cố định vy; vận tốc góc quay thân xe ψ&

2.2.3 Mô hình một vết

Mô hình này được sử dụng để nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của trọngtâm ô tô, không quan tâm đến hành lang chuyển động của ô tô khi đổi hướngchuyển động Mô hình này được sử dụng với giả thiết bỏ qua ảnh hưởng của sựthay đổi phản lực giữa các bánh xe bên phải và bên trái khi ô tô đến quỹ đạochuyển động của ô tô khi đổi hướng chuyển động

Xét mô hình một vết với bánh xe giả định nằm giữa các bánh xe và lăn lệchvới góc lăn lệch trung bình của bánh xe bên phải và bên trái sao cho phương củabánh xe giả định đi qua giao điểm của phương lăn lệch của bánh xe bên trái và

bên phải Mô hình gồm 3 bậc tự do: dịch chuyển theo phương dọc x , dịch chuyển theo phương ngang y và góc quay quanh trục thẳng đứng đi qua trọng

tâm của ô tô ψ theo hệ trục tọa độ đi động XCY gắn tại trọng tâm C ô tô thể hiện

trên hình 2.4

Hình 2.4 - Mô hình một vết trong mặt phẳng đường

Bánh xe dẫn hướng trung bình quay một góc δ, bánh xe phía trước và sau

lăn lệch một góc tương ứng là αf và αr Tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt

đường có các thành phần phản lực trong mặt phẳng dọc và ngang của bánh xetrước, sau tương ứng là F F F F Tại trọng tâm của ô tô có các thành phần xf, yf, xr, yr

lực quán tính theo phương dọc m x&& , phương ngang v m y&&, lực quán tính ly tâm v

2 2

v

mψ& & &x +y (giải thích rõ ở mục 2.3.2) và mô mem quán tính J vψ&& Thành phầnlực cản gió theo phương dọc F , ngang ax F đặt cách trọng tâm ô tô một khoảng ay a

l

Trong luận văn, tác giả sử dụng mô hình một vết này để khảo sát ảnh hưởngcủa một số yếu tố kết cấu và khai thác đến độ ổn định hướng chuyển động khiđổi hướng chuyển động của ô tô

2.2.4 Mô hình một bánh

Mô hình một bánh xe thể hiện trên hình 2.5 chủ yếu được sử dụng đểnghiên cứu quỹ đạo chuyển động của bánh xe theo phương dọc, ngang khi chịutác động của lực kéo, phanh và lực ngang Được sử dụng để nghiên cứu lý thuyết

và thí nghiệm đặc tính bám dọc, bám ngang của bánh xe với mặt đường Trênhình 2.6 thể hiện mô hình thí nghiệm đặc tính bám dọc, ngang của lốp

Hình 2.5 - Mô hình quỹ đạo chuyển động của bánh xe (mô hình 1/4) có kể đến ảnh

hưởng của mấp mô mặt đường

Hình 2.6 - Mô hình thí nghiệm đặc tính bám dọc, ngang của lốp

2.2.5 Mô hình hệ thống lái

Cs, Ks

Mô hình hệ thống lái được đưa vào mô hình động lực học quỹ đạo chuyểnđộng của ô tô để nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu hệ thống lái đến quỹ đạochuyển động, đề khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu Trên hình 2.7 thểhiện mô hình động lực học của hệ thống lái Kích thích đầu vào của mô hình làgóc quay vành tay lái và đáp ứng đầu ra là góc quay của bánh xe dẫn hướng Môhình hệ thống lái được sử dụng để nghiên cứu tính đáp ứng của hệ thống lái, độtrễ của hệ thống lái và độ ổn định của hệ thống lái

Hình 2.7- Mô hình động lực học hệ thống lái

Trên hình 2.8 thể hiện mô hình quỹ đạo chuyển động của ô tô đầy đủ với

mô hình hệ thống lái

Hình 2.8- Mô hình quỹ đạo chuyển động của ô tô với hệ thống lái

2.3 Xây dựng mô hình động lực học ô tô khi quay vòng

2.3.1 Giả thiết xây dựng mô hình

Trong trường hợp tổng quát mô hình chuyển động của ô tô trong khônggian gồm 9 bậc tự do (tọa độ suy rộng) Đối với thân xe có 6 bậc tự do: dịchchuyển theo phương thẳng đứng (phương OZ); góc quay thân xe theo trục OZ(yaw angle); dịch chuyển theo phương dọc (OX); góc lắc ngang của thân xe (rollangle); dịch chuyển theo phương ngang (OY); góc lắc dọc của thân xe (pitchangle) Đối với mỗi bánh xe dẫn hướng có 3 bậc tự do: dịch chuyển theo phươngthẳng đứng do sự kích thích của mấp mô mặt đường (wheel lift); góc quay bánh

xe theo trục của nó và góc quay của bánh xe dẫn hướng quanh trục quay đứng

Bỏ qua ảnh hưởng của sự mấp mô của mặt đường, sự nghiêng thân xe dướitác dụng của lực ly tâm khi đổi hướng chuyển động Khi đó trên thân xe chỉ còn